专利名称：散光玻片的制作方法
本申请是申请日为2004年9月20日，申请号为200410079811.1，发明名称为“散光玻片”的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及一种具有一个透明基体的散光玻片，该基体具有一个第一表面，该第一表面分成若干棱面，每一个棱面对应一个具有第二个拱起的表面的凸部或凹部。
散光玻片用于照明探照灯中，例如可用于电影、电视、舞台的敞开式平面探照灯或用于建筑照明以及用于照明目的。
EP 0961136A2公开了一种具有一个基体的散光玻片，该基体的表面分成若干个棱面。每个棱面表示一个具有球形表面的凸起，该凸起起透镜作用。这些棱面具有规则的六角形的边缘轮廓，所以EP 0961136A2称之为蜂房结构。
在这种散光玻片的实际使用中，清晰显现出一个六角形的锐边光场。所谓锐边光场指的是这样一个光场，即光场平面内的照度在光场的边缘以一个清晰的梯度下降。在中部，照度的中间区域呈高地形状，其后则是一个朝光场边缘方向的明显的下降或大的梯度。
此外，如果选用放电灯作为照明装置，则在光场的边缘区产生变色，这种变色可具有不同的颜色，视放电灯类型而定。
本发明的技术课题在于制作一种能产生一个均匀的圆光场的散光玻片。此外，这种散光玻片能提供一个可预先给定照度梯度的光场，亦即该光场朝边缘方向可选择地逐渐减弱或增强。
这个技术课题是通过各项独立权利要求的特征来解决的。诸多有利的方案可从各项从属权利要求中得知。
本发明认为，在按EP 0961136A2的散光玻片的情况下，不是圆形的光场的主要原因是由于棱面的规则的排列所致。这些棱面的规则性使得它们在此可按相同形状、大小和取向拼接。由于与散射玻片一面对准的光线终归是单个棱面的六角形光场的叠加，所以EP 0961136A2的光场自然也是六角形的。
在这种认识的基础上，提出了一种不同于棱面的规则排列的新方案，这种新方案是这样实现的制备一个散光玻片，该散光玻片具有一个带有第一表面的透明基体，其中该第一表面被分成若干棱面，并且每个棱面对应一个具有第二个拱起表面的凸部或凹部，这些棱面采用不同的几何形状。
根据本发明，所谓一个棱面是指一个由相应几何形状的边缘轮廓展开的一个面，根据第一表面即散光玻片的基体的表面设计成平坦的或拱起的面，通过几何形状展开的该棱面同样可以是平坦的或拱起的。
与该棱面对应的凸部或凹部表示散光玻片的一个元素。凸部或凹部具有作为基面的棱面并实质上至少位于该面的上方或下方。凸部或凹部在照明情况下起透镜作用。
通过本发明的解决方案可实现多个不同轮廓的光场的叠加并由此获得一个所需的圆光场。根据相应的棱面配置和对应于这些棱面的凸部或凹部的特性可产生一个具有可选择照度梯度的光场或该光场预定好逐渐减弱或增强。
一个渐弱的光场是一个具有向着光场边缘的照度递小的光场。反之，向着光场边缘照度的递大则导致一个逐渐增强的光场。
另一个优点在于，用这种新的棱面配置可避免在用放电灯时的边缘变色。
为了增加各个参与叠加的光场的差异并获得上述的诸多优点，可采取下列不同的措施。
各棱面可具有一个多角形的边缘轮廓，这样多角形的角数是可变的。具体多角形边缘轮廓的棱面应完全覆盖表面，否则局部没有散光效果，必要时可违反均匀照射的意愿。
此外，散光玻片也可以制造成棱面具有不同的表面面积。
作为多角形可选用3、4、5、6和/或7个角。多角形的邻角之间的连接线可以是直线或弧线。
这些棱面的不规则性产生的另一个结果是，它们具有不同的取向。
实现圆光场的目标，即实现向边缘方向去的照度渐弱或渐强的光场的另一个措施是选择并且必要时改变凸部或凹部的相应拱顶。拱顶可呈球形，凸部或凹部相应设计为球冠形状。另一方案是，拱顶的形状选用非球形。
此外，为了保证达到上述目的的另一种方案是改变凹部的深度或凸部的高度。
从上面的论述可知，所列出的各种措施是可单独地或组合式地采取。
为了上述解决方案的实用转化，在第一种变型方案中采用这样一个散光玻片，即它具有一个带第一个表面的透明基体，其中该第一表面被分成若干棱面，并且每个棱面对应一个具有第二个拱起表面的凸部或凹部，且这些凸部或凹部的顶点S沿一条螺旋线布置。
凸部或凹部的顶点定义成具有该凸部或凹部拱起表面的棱面的表面法线的交点，该表面法线通过棱面重心。
下面示范性地详细说明制备这种散光玻片的一种方案。
最好为玻璃的散光片的基材在一个成型过程中进行加工把粘稠的热态基材灌入成型模具中。该基材在压力作用下灌满该成型模具的空腔并成型为作为母模的该成型模具的几何形状。这个成型过程一直持续到基材冷却并从该成型模具中取出而不变形为止。
制备散光玻片所用的模具可选择地配有凸部和/或凹部，并用半径铣刀在计算机数控机床上进行加工。
如果在模具中加工两个相当靠近的凹部，则在用球头铣刀的情况下在这两个凹部之间留下片状的边棱。如果相邻的凹部具有相同的深度和相同的半径，则其共同的边棱在平面图中呈直线。如果一个凹部具有6个邻接的凹部，则该凹部可产生一个总共由6个直线片状边棱组成的轮廓。所以这个凹部在平面图中具有一个规则的6角形轮廓。在一般情况中，一个凹部具有一个多角形的边缘轮廓，视相邻凹部的精确位置和数目而定。
在两个相邻凹部的情况下，如果铣成的半径和/或深度不同，则共同的边缘一般是弯曲的，而且这些凹部在平面图中具有不同几何形状的边缘。
在一般情况下，应当力求这些棱面能够完全覆盖散光玻片的表面。在这种情况下，模具的表面具有一个凹部的表面覆盖的配置，即这些凹部分别具有多角边缘轮廓。
当然，由于美观或技术上的原因，散光玻片也可用拱起的基体。在这种情况中，成型模具必须选用相应的拱起表面。所以，基体和相应的成型模具都可呈球形拱起。在这种情况中，铣刀用其旋转轴平行对准球冠的矢径。
通过顶点S沿一条螺旋线布置可产生许多不规则布置的棱面，用这些棱面可按需获得一个圆光场，该光场在放电灯时在边缘区不产生变色，且其照度的梯度可预先给定。
凸部或凹部的高度在整个散光玻片上都可变化，所以凸部和凹部得出的高度或深度不同。这也有助于产生一个圆的和或多或少渐弱或渐强的光场。
在散光玻片的一种结构中，顶点S位于图1所示的一条阿基米德螺旋线上。在极坐标(r，
)中，该螺旋线的方程式为
这个坐标系的原点(0，0)为位于螺旋线中心的起点。在螺旋线圈的一定距离的情况下，两个相邻点S1和S2之间的弧长L为
通过沿该螺旋线从内到外连续去掉恒定的弧长L可得单个点S1、S2...。
这些顶点可等距离布置。除了等距离布置这些顶点外，也可以是可变的弧长L。所以可选择一个从内到外不断增加的弧长L。按此方式可在散光玻片的中心获得具有较小高度的凸部的小棱面或具有较小深度的凹部的小棱面，并由此获得小的散射作用。这些棱面朝边缘方向变大、凸部的高度或凹部的深度变大和散射作用也变大。在这种情况下，光场在中心内具有一个很大照度的确实小的半散射角。与此相反，在恒定的L时，照度则提前呈平直状和渐弱趋势。
上述可单独地和必要时可组合地采取的诸多措施，允许按各种各样的方式使散光玻片匹配相应的照明系统，例如匹配相应的反射器。所以通过螺旋线型的选择、弧长L值的选择、还有通过弧长的变化或不变即可实现与反射器的匹配。这些措施可对照明系统预先给定的区域内的光场进行影响，使之局部加强或削弱，所以可按各种不同的方式使光场最佳化。
在图4所示的第二种变型方案中，采用这样一个散光玻片，即它有一个带第一个表面的透明基体，其中该第一表面被分成若干棱面，并且每个棱面对应一个具有第二个拱起表面的凸部或凹部，且这些凸部和/或凹部的顶点是这样表征的，即其坐标(xS，yS)从形成一个具有规则的6角形边缘轮廓的棱面排列的点P的坐标(xP，yP)中通过围绕原点(0，0)旋转一个角度δ来产生。
为了说明这种解决方案，首先可数字方式描述一种具有规则的6角形边缘轮廓的棱面的排列。这种排列可用三个相互分别等距离的直线组来表示，其中每个组相对于相邻组旋转60°，且其直线用下列方程式描述
式中，D为棱面的对角线。这三个方程式在下面称为方程组1。第一个方程式描述一组水平取向的直线，第二个方程式描述一组具有tan60°正斜率的直线，第三个方程式则描述一组具有tan 120°负斜率的直线。i为指数， i＝-iA，-iA+1，....，-1，0，1，....iE-1，iE， 其中iA和iE为正整数。
这三组直线形成图2所示的交点。这些位于同一平面中的交点具有以x作水平轴和以y作垂直轴的坐标(xP，yP)。图2的每个点P都邻接6个三角形，这些三角形共同组成一个棱面，该棱面具有一个规则的6角边缘轮廓。
图3a表示一个在平面图内带对角线D的这种棱面。图3b表示带顶点S的拱起的凹部的一个散光玻片的相应截面。每个凹部都具有一个6角的边缘轮廓。
如果这个交点P的坐标用笛卡儿坐标(xP，yP)或用极坐标(r，
)表示，则可这样进行旋转，以实施下列变换
这些新的方程式下面叫做方程组2，式中N，X’，Y’，R’和
表示计算的中间值。
所以原坐标(xP，yP)被变换成终坐标(xP’，yP’)。数学结果可直观地想象成一个用弹性材料制成的散光玻片被扭转了一个角度。这可从图4通过中心的线条表示的扭转一目了然。在极端情况δ＝0°时，又存在一个具有规则的6角边缘轮廓的棱面排列。这种扭转在内部区域引起原坐标较小的变化，而在外部区域则允许大的变化。应当强调指出，扭转只直观表示数学变换，不要从字面上去理解。
在原坐标(xP，yP)变成终坐标(xP’，yP’)时，每个点P都产生一定弧长L的位移。这个弧长随点P离原点(0，0)的距离增加。该弧长可呈直线增加，如图4所示，或按根函数或指数函数进行增加。
全部点(xP’，yP’)的数量在上述方案中位于一个平面内，这是以一个平的基体为前提的。但如果需要也可用拱起的基体。在这种情况中，全部点(xP’，yP’)的数量还必须按适当的方式投影到拱起的面上。
一个点P和相应顶点S的x和y坐标是相等的，亦即xS’＝xP’和yS’＝yS’。而S和P的z坐标则是不同的，其中z轴垂直于图2的绘图平面。z坐标的区别表示凸部的高度或凹部的深度。在最简单的情况中，z坐标相差一个固定值，所以zS’＝zP’+常数。当然，如上所述，凸部的高度或凹部的深度和此时的|zS’-zP|也可以变化的选择。
选择的变换角度或扭转角度δ对要产生的棱面图形的影响取决于散光玻片直径与棱面对角线D的比例。如果扭转角选择太大，则在散光玻片边缘几乎为平面，并由此在这些区域产生微小的散射。就这点而言，较小的角度δ导致外部区域不很平的面并导致边缘的较好的散射。另一方面，δ的变小当然只导致棱面规则排列的很小变化，并由此增加一个规则的棱面排列的上述诸多缺点。
在一个有利的方案中，变换角度δ不是恒定的，而是随离原点的距离的不断增加而增加。这在一定程度上可按需避免散光玻片边缘上太大的δ，并在散光玻片内部区域获得足够的散光作用。
在图5所示的第三种变形方案中，采用这样一个散光玻片，即它具有一个带第一个表面的透明基体，其中该第一表面被分成若干棱面，其中每个棱面对应一个具有第二个拱起表面的凸部或凹部，并且这些凸部和/或凹部的顶点是这样表征的，即其坐标(xS”，yS”)从形成一个具有规则的6角边缘轮廓的棱面排列的点P的坐标(xP，yP)中通过用蒙特卡罗法的随机变化来产生。
为此使用的随机数Z借助蒙特卡罗法在范围0≤Z＜1内变化，其中 xS″＝xP+(0，5-Z)*U yS″＝yP+(0，5-Z)*V 象在第二种变型方案时一样，点P(xP，yP，zP)和S(xS”，yS”，zS”)在z坐标内有区别，其中|zS”-zP|表示凸部的高度或凹部的深度。
图5表示按方程组1具有象图2所示坐标(xP，yP)的一个具有规则6角边缘轮廓的棱面排列的交点P补充了通过蒙特卡罗法获得的点S，该点为凸部或凹部的顶点。
参数U和V最好在棱面对角线D的大约5％至大约20％的范围内。如果U或V选得更大，则增加棱面之间的基体具有间隙的危险。
从上面的论述可知，利用这些变型方案，普通技术人员可以获得如何在考虑照明系统的情况下设计和匹配光场的大量参数。就这点而言，对棱面不同几何形状的所选择的解决方法可实现光场在相应的情况下多样的和可变的匹配。此外，为了实现要求的光场，还可有多种设计各不相同的方案。就这点而言，这些解决方案也可在美观形象方面实现最佳的散光玻片。
下面结合一些实施例来详细说明本发明。
图6表示一种类似于EP 0961136A1所述的棱面排列。散光玻片具有138毫米的直径，并用具有规则6角边缘轮廓的棱面全面覆盖。每个6角具有10毫米的对角线D。为了模型化，采用iA＝9和iE＝9的方程组1。每个凸部呈球形弯曲，且曲率半径为10毫米。
图7表示在平面图中的一个实施方案，这是根据第二种变型方案按图6的规则的排列借助于方程组2旋转或扭转了一个角度δ＝3°的实施例。从该图可以看出，这里的棱面不是规则排列的。这些棱面不再全部具有相同的形状，而是具有不同的面积大小和不同的角数。这些棱面的取向也是不同的。
图8表示用蒙特卡罗法对图6的规则的棱面排列的坐标进行随机变化的一个例子。其中U＝0.2*D和V＝0.2*D。令D＝10毫米，则得U＝V＝2毫米。这里的棱面也是不同形状和取向，并从外观上可明显看出与图6所示规则排列的差别。
图9表示一个直径为138毫米的散光玻片，这里的顶点位于一条阿基米德螺旋线上。象图6那样，原始棱面呈规则的6角形，但对角线D为12毫米。螺旋距离d为9毫米，弧长L也为9毫米。每个球形拱起的凸部具有10毫米的曲率半径。
图10表示x作水平轴和y作垂直轴的光场的xy平面的一种所谓的等照度分布，适用于象EP 0961136A2那种情况，光源配置一个散光玻片，其表面具有按方程组1得出的规则棱面排列。该等照度分布表示恒定的照度值为1000、500和200勒。这些恒定的照度值采用6角的形状，亦即光场总的来说明显呈6角形。
图11表示在相同光源时的所谓水平照度分布，亦即象在EP 0961136时那样沿水平取向的x轴的照度分布。照度具有一个中央坪区并朝边缘方向呈锐角下降。
图12表示象图10那样的相同光源的光场，但具有一个本发明的散光玻片。恒定的照度线是圆的，光场从总体上讲也是圆的。
图13显示了对应于图11的描述的结果，此时光源配置了一个按照本发明的散光玻片。照度分布呈钟形，斜率变化缓慢，光场在此时是渐弱的。
图1示出了散光玻片的一种结构中的一条阿基米德螺旋线。
图2示出了具有这样的排列的散光玻片的一种结构，该排列具有规则的6角形边缘轮廓的棱面。
图3a表示一个在平面图内带对角线D的棱面。
图3b表示带顶点S的拱起的凹部的一个散光玻片的截面。
图4示出了散光玻片的第二种变型方案。
图5示出了散光玻片的第三种变型方案。
图6表示一种类似于EP 0 961 136 A1所述的棱面排列。
图7表示在平面图中的一个实施方案，这是根据第二种变型方案按图6的规则的排列借助于方程组2旋转或扭转了一个角度ε＝3°的实施例。
图8表示用蒙特卡罗法对图6的规则的棱面排列的坐标进行随机变化的一个例子。
图9表示一个直径为138毫米的散光玻片，这里的顶点位于一条阿基米德螺旋线上。
图10表示以x作水平轴和y作垂直轴的光场的xy平面的一种所谓的等照度分布。
图11表示在相同光源时的所谓水平照度分布，亦即象在EP 0 961136时那样沿水平取向的x轴的照度分布。
图12表示象图10那样的相同光源的光场，但具有一个本发明的散光玻片。
图13显示了对应于图11的描述的结果，此时光源配置了一个按照本发明的散光玻片。
权利要求
1.具有一个透明基体的散光玻片，该基体具有第一表面，该第一表面被分成若干棱面，每个棱面对应一个具有第二个拱起的表面的一个凸部或凹部，
其特征为，
凸部和/或凹部的顶点(S)是这样表征的，即其坐标(xS’，yS’)从确定一个具有规则的6角形边缘轮廓的棱面排列的点(P)的坐标(xP，yP)中通过围绕散光玻片的原点(0，0)旋转一个角度来产生。
2.按权利要求1的散光玻片，
其特征为，
δ角随离中心的距离的不断增加而增加。
3.按权利要求2的散光玻片，
其特征为，
角度δ呈直线或按根函数或指数函数增加。
4.按权利要求1至3任一项的散光玻片，
其特征为，
凸部的高度和/或凹部的深度是不同的。
5.具有一个透明基体的散光玻片，该基体具有第一表面，该第一表面被分成若干棱面，每个棱面对应一个具有第二个拱起的表面的一个凸部或凹部，
其特征为，
凸部或凹部的顶点(S)是这样表征的，即其坐标(xS”，yS”)从定义一个具有规则的6角边缘轮廓的棱面排列的点(P)的坐标(xP，yP)中通过用蒙特卡罗法的随机变化来产生。
全文摘要
本发明涉及一种散光玻片，该散光玻片具有一个透明的基体，该基体具有的第一表面被分成若干棱面，每个棱面对应一个具有第二个构成拱起的表面的凸部或凹部。本发明建议，这些棱面采用不同的形状，这可通过下列方法来实现1.这些凸部或凹部的相应顶点沿一条螺旋线排列，或2.这些凸部和/或凹部的顶点是这样表征的，即其坐标(xS’，yS’)从确定一个具有规则的6角形边缘轮廓的棱面排列的点P的坐标(xP’，yP’)中通过围绕一个中心旋转一个角度δ来产生，或3.这些凸部或凹部的顶点是这样表征的，即其坐标(xS”，yS”)从确定一个具有规则的6角形边缘轮廓的棱面排列的点P的坐标(xP，yP)中通过用蒙特卡罗法的随机变化来产生。本发明实现了一个圆的、渐弱的光场，该光场特别适用于照相目的。
文档编号F21V5/02GK101725893SQ20091015944
公开日2010年6月9日 申请日期2004年9月20日 优先权日2003年9月20日
发明者R·贝克, R·基特尔曼, E·库雷克, H·瓦格纳, U·齐尔法斯 申请人:奥尔照明设备有限责任公司